Гетеропереходы

Гетеропереходом называют переходный слой с существующим там диффузионным электрическим полем между двумя различными полупроводниками, которые отличаются друг от друга шириной энергетических зон.

При образовании таких контактов происходит перераспределение носителей заряда, что приводит к появлению контактной разности потенциалов и к выравниванию уровней Ферми (рис. 3.10).

Все остальные энергетические уровни после возникновения контактной разности потенциалов должны соответственно изогнуться. При этом энергетический уровень потолка верхней свободной зоны должен быть непрерывным.

Обычно энергетический уровень потолка верхней свободной зоны является энергетическим уровнем потолка зоны проводимости, так как свободные энергетические зоны перекрываются друг с другом. Так как ширина энергетических зон различных полупроводников различна, то на металлургическом контакте гетероперехода получается обычно разрыв дна зоны проводимости. Величина разрыва дна зоны проводимости определяется различием энергий сродства к электрону двух различных полупроводников (энергия сродства к электрону есть разница энергий потолка верхней свободной зоны и дна зоны проводимости).

Рис.3.10. Энергетические диаграммы гетеропереходов: а – выпрямляющий контакт между полупроводниками р- и n-типов с преимущественной инжекцией электронов в узкозонный полупроводник; б - выпрямляющий контакт между полупроводниками n-типа – контакт без инжекции неосновных носителей заряда.

В результате разрывов дна зоны проводимости и потолка валентной зоны высота потенциальных барьеров для электронов и дырок в гетеропереходе оказывается различной. Это является особенностью гетеропереходов, обусловливающей специфические свойства гетеропереходов в отличие от гомопереходов.

Каждый из полупроводников, образующих гетеропереход, может иметь различный тип электропроводности. Поэтому для каждой пары полупроводников в принципе можно осуществить четыре комбинации структур: p ₁- n ₂, n ₁- n ₂, n ₁- p ₂ и p ₁- p ₂.

Из-за различия по высоте потенциальных барьеров для электронов и для дырок прямой ток через гетеропереход связан обычно с движением носителей заряда только одного типа. Поэтому гетеропереходы могут быть как инжектирующими (рис. 3.10,а), так и неинжектирующими (рис. 3.10,б).

Однако для того чтобы получить гетеропереходы с достаточно хорошими характеристиками, кристаллическая решетка одного полупроводника должна с минимальным количеством нарушений переходить в кристаллическую решетку другого полупроводника, т. е. должны быть близки параметры кристаллических решеток полупроводников, образующих гетеропереход. Дефекты, возникающие на границе раздела двух полупроводников, создают условия для рекомбинации и генерации носителей заряда в гетеропереходе — рекомбинационные ловушки. В результате механизмы прохождения тока через реальный и идеальный гетеропереходы могут отличаться, что не даст возможности использовать специфические свойства гетероперехода.

Выращивание слоев одного полупроводника на пластинах другого осуществляется при относительно высоких температурах. При этом может происходить диффузия примесей из одного полупроводника в другой, изменение исходных типов электропроводности, искажение теоретических энергетических диаграмм и соответственно изменение свойств гетероперехода.

В результате, несмотря на многообещающие перспективы, гетеропереходы не нашли еще достаточного практического применения. В настоящее время наиболее изученными следует считать пары: Ge—GaAs, Ge—Si, GaAs—GaP и GaAs—InAs.